精準醫學基因分析的醫學應用

1. 疾病診斷：
   基因分析可以透過識別特定基因的突變來幫助診斷遺傳疾病，例如囊性纖維化或鐮狀細胞性貧血。它還可以揭示癌症、糖尿病或心血管疾病等疾病的易感因素。
2. 個人化醫療：
   基因分析也稱為精準醫療，它可以根據個人的基因組成提供客製化治療。例如，在癌症治療中，分析腫瘤基因可以確定哪種藥物或治療方法最有效。
3. 藥物開發：
   基因分析用於藥物基因組學，研究基因變異如何影響藥物功效和安全性。這些資訊指導有針對性的治療發展，減少副作用並改善治療效果。
4. 疾病預防：
   透過及早發現遺傳風險因素，個人可以改變生活方式或定期進行篩檢以預防疾病。例如，了解一個人罹患阿茲海默症的風險可能會促使人們採取積極措施來維護大腦健康。
5. 生殖醫學：
   基因檢測可以幫助未來的父母​​了解遺傳疾病遺傳給孩子的風險。針對於有些遺傳性疾病，可以利用在胚胎發育過程中，使用植入前基因診斷 (PGD) 等技術來選擇沒有基因異常的胚胎，減少遺傳性疾病的情況。

基因異常與特殊疾病

基因分析徹底改變了許多疾病的診斷，特別是那些具有遺傳成分的疾病。以下是一些疾病與關連基因：

遺傳性疾病基因

• • 囊性纖維化：由 CFTR 基因突變引起。
  • 鐮狀細胞性貧血：與 HBB 基因突變有關。
  • 杜氏肌肉營養不良症 (DMD)：由 DMD 基因突變引起。
  • 亨廷頓氏舞蹈症：與 HTT 基因擴增有關。
  • 泰-薩克斯症：由 HEXA 基因突變引起。

癌症易感性基因

• • 乳癌和卵巢癌：與 BRCA1 和 BRCA2 基因突變有關。
  • 大腸直腸癌：通常與林奇症候群等疾病中的 APC 或 MLH1/MSH2 基因突變有關。
  • 黑色素瘤：CDKN2A 或 BRAF 基因突變會影響易感性。
  • 神經系統疾病 阿茲海默症：與 APOE 基因的某些變異有關。
  • 帕金森氏症：與 LRRK2 和 PARK7 等基因突變有關。

造成代謝紊亂相關基因

• • 苯酮尿症 (PKU)：由 PAH 基因突變引起，影響身體處理苯丙胺酸的能力。
  • 戈謝氏症：由 GBA 基因突變引起。
  • 地中海貧血：一種與 HBA 或 HBB 基因突變有關的血液疾病。
  • 遺傳性血色素沉著症：由 HFE 基因突變引起，導致鐵超載。

其他基因

分析也有助於識別糖尿病和心血管疾病等複雜疾病的易感性，儘管這些疾病通常涉及多種基因和環境因素之間的相互作用。

基因定序技術

DNA定序:

DNA定序(DNA sequencing)是指將特定DNA片段中的4種鹼基，也就是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）與鳥嘌呤（G）依照出現的順序進行排列的一種分析技術。利用DNA定序可以應用於細胞中DNA的分析， 包括突變，片段缺失，片段插入等。常用的定序法為桑格定序法(Sanger sequencing)，由英國生物化學家弗雷德里克·桑格於1977年發明。利用雙去氧鏈終止法與化學降解法以及其衍生方法統稱為第一代DNA定序技術，為人類基因組計劃所使用主要定序方法(附圖)。用DNA聚合酶來延伸結合在待測序列 DNA 模板上的寡脫氧核苷酸引子，直到在新合成的DNA 鏈的 3'-末端摻入了4种螢光或是放測物質核素標記的2',3'-雙脫氧核苷三磷酸(ddNTP) 的其中一種。由於ddNTP 脫氧核糖的 3'-位碳原子上缺少羥基而不能與下一位核苷酸的5'-位磷酸基之間形成 3',5'-磷酸二酯鍵，從而使得正在延伸的DNA鏈在該 ddNTP 處終止。因此，在 4 種不同反應體系中分別加入 4 種不同的 ddNTP (A、G、C、T)，就可得到終止於相應特定鹼基的一系列不同長度DNA片段。這些片段具有共同的起點，而有不同的終點（即ddNTP摻入的位置），其長度取決於 ddNTP 摻入的位置與引子 5'-末端之間的距離。經可分辨 1 個核苷酸差別的變性聚丙烯醯胺凝膠電泳分離這些片段，再藉助片段的放射性核素或螢光標記，即可讀出一段DNA序列。

資料來源:https://microbenotes.com/dna-sequencing-maxam-gilbert-and-sanger-dideoxy-method/

次世代定序技術

次世代定序Next Generation Sequencing (NGS)主要以massively parallel sequencing的概念建構的高通量技術，達到同時高速大量的核酸定序。與傳統統桑格定序法相比，NGS幾乎快了約6萬倍的速度。  目前市面雖然有不同公司發展出不同基因定序平台例如：Illumina公司、ABI公司與Roche公司，雖然的技術原理不相同，但都是以鏈終止定序法(chain termintin)來進行DNA定序，達到高通量，減少定序錯誤的發生機會。以Illumina系統為例，其原理主要包含：

1. 1. 利用超聲波將DNA打斷成200-500 bp的片段大小，然後於片段兩端接上接頭(adapter)
   2. 將已接接頭的DNA片段放入到表面帶有互補接頭序列的flowcell，接頭互相配對後讓DNA片段吸附於flowcell上
   3. 透過橋式聚合酶連鎖反應進行DNA複製，放大訊號
   4. 定序方法採用一邊合成DNA片段，一邊進行DNA定序（如同Sanger定序法），加入不同已標定特定可移除螢光分子之鹼基(dNTP)及合成反應試劑，反覆讓螢光移除及偵測，達到高速且大量的DNA定序。

youtube網址: Overview of Illumina Sequencing by Synthesis Workflow | Standard SBS chemistry - YouTube

資料來源: Nidhi Gupta and Vijay K. Verma. Next-Generation Sequencing and Its
Application: Empowering in Public Health Beyond Reality. Microbial Technology for the Welfare of Society. P313-341 (2019).

液態活檢與活體組織

癌細胞診斷通常使用切除後之腫瘤或是組織進行診斷。但是液態活檢（liquid biopsy）為一種檢查血液中是否有異常細胞(癌細胞)的檢驗方法，可分為兩種：循環腫瘤細胞（circulating tumor cell）分析以及無細胞DNA（cell-free circulating tumor DNA）。是以抽血非侵入式的方法，進行檢驗，取代侵入式的細胞或是組織檢驗，評估微量癌細胞中的基因突變，並且計劃個體化的治療。液態活檢（liquid biopsy）可以在病程的治療過程中進行監控。不同部位的癌症組織通常為一次性切除，而液態活檢可以在不同療程是進行血液採集進行微量細胞分析。有利於了解腫瘤進展與轉移等。根據微量的循環腫瘤細胞與DNA 的基因變化可以提供治療中有效性評估與癌症轉移風險的訊息。

活體組織(biopsy)又稱為活檢，為一種。主要利用穿刺針吸取可疑的組織塊， 例如大腸鏡中的息肉切除或是無法切除的組織， 例如甲狀腺腫塊或是肺部可疑腫塊組織等。在血液白血病之診斷上，也經常使用骨髓活檢都是進行血球細胞與骨髓型態進行診斷與分期。消化道器官則經常使用內視鏡看到腸道組織，並可以透過活檢器械抽吸或是探針切除可疑組織。